Как «мусорные физики» из России получили Нобелевскую премию

Во вторник в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 год. Ими стали русские физики из университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов. Их главное изобретение — материал под названием графен. Что такое графен, и как его можно использовать? Об этом Новоселов рассказал в интервью Forbes ровно год назад. Ниже — статья из журнала Forbes, вышедшая в октябрьском номере в 2009 году.

Прозрачная голубая полоска на столе работает будильником. Она же показывает расписание на день, в машине развертывается в экран навигатора, на работе превращается в ноутбук, а вечером на ней можно смотреть кино. Авторы ролика об универсальном гаджете будущего, ученые из южнокорейского университета Сонгюнгван убеждены, что он будет создан в ближайшие 10 лет благодаря графену, самому тонкому во Вселенной материалу с уникальными электронными свойствами.

Это будущее приближают десятки лабораторий во всем мире. Путь от фундаментального открытия до практических результатов в случае с графеном преодолевается даже не за годы, а за месяцы. «Год назад я скептически относился к применению графена в электронике, сейчас это становится вполне реальным бизнесом», — говорит автор открытия Константин Новоселов.

Агентство Thomson Reuters в прошлом году сочло графен достойным Нобелевской премии. В список вероятных лауреатов включены Новоселов и его руководитель — Андрей Гейм, директор Центра мезоскопической физики при Манчестерском университете. «Нобелевку» они пока не получили, но их шансы с каждым годом будут расти. Даже удивительно, что материал со столь блестящими перспективами был получен с помощью липкой ленты, которая случайно не попала в мусорное ведро.

Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом. Миллиарды таких слоев образуют графит, из которого делают грифели для карандашей. В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку.

Графен оказался исключением из этого правила. Гейм и Новоселов обратили внимание на обычный скотч, с помощью которого готовят образцы графита для работы на сканирующем туннельном микроскопе. Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными», — смеется Новоселов. Склеивая и разлепляя ленту с хлопьями графита несколько раз, Новоселов получил то, что считалось невозможным, — слои графита толщиной в один атом. Их площадь достигала одного квадратного миллиметра: этого более чем достаточно, чтобы перенести графен на подложку и исследовать механические и электронные свойства. В 2004 году в журнале Science вышла эпохальная статья Гейма, Новоселова и их давнего коллеги Сергея Морозова. Свойства — проводимость, прочность, стабильность — оказались уникальными.

Реклама на Forbes

«У графена есть свойства, которых нет ни у одного материала, — говорит Новоселов, — это в буквальном смысле материя, ткань. С ней можно делать то же самое, что вот с этой салфеткой: сгибать, сворачивать, растягивать…» Бумажная салфетка неожиданно рвется у него в руках. С графеном такого не случится, замечает физик, это самый прочный материал на Земле.

Почему в графене видят материал, который вытеснит кремниевую электронику? Электроны в нем перемещаются в сотню раз быстрее, чем в кремнии. В прошлом году Гейм и Новоселов с соавторами показали, что из графена можно делать транзисторы, управляемые отдельными электронами. Все это позволит создать более миниатюрные и быстрые микросхемы, которые и греются намного меньше кремниевых.

Не хотел бы Новоселов заработать на своем открытии? Физик смотрит на меня с недоумением. Для него есть вещи поинтереснее. «Мы заканчиваем исследования задолго до того, как начинается коммерциализация, — объясняет он, — и не пытаемся заниматься технологиями». Представителей компаний, которые обращаются к ним, Гейм и Новоселов обычно отправляют в Graphene Industries — фирму, созданную их студентами. Те вручную делают пластинки графена и поштучно продают в лаборатории IBM, Intel, Samsung.

До 2020 года, по прогнозам исследовательской компании Lux Research, графен не поколеблет основы кремниевой электроники. Но уже сейчас новый материал обходит кремний по флангам, показывая себя в новых приложениях. Например, в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приемников и передатчиков мобильной связи. «Опытные образцы появились в начале года, а сейчас у них уже наблюдаются рекордные показатели», — говорит Новоселов. Особенно продвинулись в их создании IBM и HRL (близкие к оборонному заказу исследовательские лаборатории, которыми совместно владеют Boeing и General Motors). В конце прошлого года HRL получили грант на 50-месячную программу графеновой электроники, которую координирует SPAWAR — инжиниринговый центр Военно-морского флота США. «Они даже не притворяются, что занимаются физикой, а прямо говорят, что делают приборы», — замечает Новоселов.

Развитие графеновой темы привлекло к ней внимание частных инвесторов. Несколько американских компаний замахнулись на производство сотен тонн графена к концу 2010 года. Такие объемы могут затоварить рынок радиочастотных транзисторов навечно, но производители пока ориентируются не на электронику.

Уже сейчас графен востребован как наполнитель для композитных материалов, говорит гендиректор фирмы XG Sciences Майкл Нокс. Гендиректор фирмы Angstron Materials Бор Джанг предлагает использовать графен в устройствах для хранения энергии — аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, которые вырабатывают электроэнергию от соединения водорода с кислородом. Компания Vorbeck Materials продает Vor-ink — «чернила», позволяющие печатать электронные схемы.

Нокс узнал о графене в 2006 году от профессора Мичиганского университета Лоуренса Дрзала, который убедил его в том, что на графене можно хорошо заработать. «Я как раз продал свой предыдущий бизнес и искал какую-нибудь перспективную технологию, — вспоминает Нокс. — С тех пор ажиотаж вокруг графена непрерывно растет».

Джанг — пример ученого-предпринимателя, словно сошедший со страниц брошюры о коммерциализации технологий. С 2005 года он декан Колледжа технических и компьютерных наук при Университете Райта. Старт его компании Nanotek Instruments в 1997 году обеспечили гранты Министерства энергетики США. Затем от Nanotek отпочковалась Angstron. Свой первый патент, связанный с графеном, Джанг заявил еще в 2002-м — за два года до революционной работы русских физиков. «Их заслуга в том, что они первыми обнаружили необычные электронные свойства изолированных листов графена», — объясняет Джанг. К 2015 году он скромно планирует занять 30–40% мирового рынка графена, а еще раньше — провести IPO или продать компанию крупному инвестору. Vorbeck уже обзавелась серьезным партнером: для немецкого химического гиганта BASF фирма разрабатывает токопроводящую краску.

Чтобы фундаментальное открытие было применено на практике, оно должно обрасти тысячами изобретений. От создания первого транзистора в 1947 году до распространения интегральных схем, обеспечивших первенство кремниевой электроники, прошло почти два десятилетия. Если графеновая революция пойдет теми же темпами, универсальный гаджет, о котором мечтают южнокорейские исследователи, появится на прилавках самое позднее в 2022 году.

Российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов стали лауреатами Нобелевской премии

Подданные Нидерландов Андрей Гейм и Великобритании Константин Новоселов, у которого есть и российское гражданство, стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года за создание уникального углеродного материала — графена.

Оба лауреата — бывшие советские ученые, выпускники МФТИ. Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, защитил диссертацию в Институте физики твердого тела АН СССР. Работал научным сотрудником в Черноголовке, потом эмигрировал за границу, где трудился в университетах Ноттингема, Копенгагена и Неймегена. С 2001 года работает в английском Манчестере. В настоящее время Гейм, который теперь носит имя Андре, возглавляет Манчестерский центр по «мезонауке и нанотехнологиям», а также отдел физики конденсированного состояния.

Андре Гейм — подданный Нидерландов, в то время как его коллега и второй лауреат Нобеля-2010 Константин Новоселов имеет российское и британское подданство.

Новоселов родился в 1974 году в Нижнем Тагиле. После окончания МФТИ он несколько лет проработал в Черноголовке, после чего уехал в Университет Неймегена, где защитил диссертацию.

Нобелевскую премию Гейм и Новоселов получили «За новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена». На двоих ученые получат 1,5 млн долларов (10 млн шведских крон).

Выступая по телефону на пресс-конференции, Гейм заявил, что не ожидал получения премии. «Мой план на сегодня — пойти на офис и закончить работу с бумагами, которую я еще не успел сделать», — приводит Reuters слова Гейма.

Графен — одна из форм (так называемых аллотропных модификаций), в которых может существовать углерод, пожалуй, самая экзотическая. Более известные — собственно, графит (из которого состоят грифели карандашей), алмаз, карбин (модификация с цепочечным строением молекул) и фуллерен (получивший в научной среде прозвище «футбольный мяч» за свою структуру). Графен представляет собой сверхтонкие (толщиной в один атом) слои из атомов углерода, связанные в гексагональную (состоящую из шестиугольников с общими сторонами) структуру. Как материал — новый и современный — он является самым тонким и одновременно самым прочным. Кроме того, он обладает проводящими свойствами, характерными для таких металлов, как медь. По теплопроводности он превосходит все известные на сегодняшний день материалы. Двумерные слои графена почти прозрачные, однако настолько плотные, что даже самые маленькие молекулы (например, одноатомные молекулы благородного газа гелия) не могут пройти сквозь слой.

Графен — еще одно проявление уникальных химических свойств углерода, благодаря которым, в частности, на нашей планете существует все живое.

Теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку графен является базой для построения трехмерного кристалла обычного графита. Однако получить графен экспериментально не удавалось. Интерес к нему возродился после открытия углеродных нанотрубок, представляющих собой фактически свернутый в цилиндр монослой.

Попытки получения графена, прикрепленного к другому материалу (ранее было показано теоретически, что свободную идеальную двумерную пленку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания), начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоев графита, но не достигли успеха.

Однако в 2004 году Новоселов и Гейм опубликовали в журнале Science работу, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO₂.

Метод «отшелушивания» является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. После этого ученым удалось таким же способом получить двумерные кристаллы BN, MoS₂, NbSe₂, Bi₂Sr₂CaCu₂O_x.

Фактически открытие графена привело к созданию целого класса принципиально новых двумерных материалов с уникальными свойствами.

Квантовая физика развивает теорию таких объектов, а их практические применения обещают быть поистине впечатляющими. Материалы на основе графена могут перевернуть мир электроники: в частности, ученые предполагают, что графеновые транзисторы будут работать на порядки быстрее, чем современная кремниевая техника. Графен можно использовать для производства прозрачных сенсорных экранов, световых панелей или даже солнечных батарей. В смеси с пластиками графен дает возможность создавать композитные проводящие материалы, более устойчивые к действию высоких температур. Прочность графена позволяет конструировать новые механически устойчивые материалы, сверхтонкие, эластичные и легкие. В будущем из композитных материалов на основе графена, возможно, будут делать спутники, самолеты и автомобили.

Интересно, что в 2000 году Андре Гейм стал лауреатом Шнобелевской премии с формулировкой «За использование магнитов для подвешивания (левитации) лягушки». В научной среде ходят слухи, что после этих опытов лягушка выжила и даже дала потомство.

Эксперты из Thompson Reuters вновь не угадали лауреата Нобелевской премии.

Накануне они предполагали, что премией отметят астрономов, открывших противоречащий фундаментальному закону Хаббла феномен ускоряющегося расширения Вселенной, а также роль темной энергии в нем. Поэтому звонка от Нобелевского комитета могли ждать Сол Перлмуттер из Университета Калифорнии в Беркли, Адам Райес из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе и Брайан Шмидт из Австралийского национального университета. Вторым основным претендентом на премию считалась научная группа космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA), предназначенного для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной. В качестве возможных лауреатов назывались Чарльз Беннет (NASA и Университет Джона Хопкинса, Мэриленд), а также Лиман Пейдж и Дэвид Шпергель из Принстонского университета (Нью-Джерси). Последние в этом году стали лауреатами молодой, но довольно престижной премии Шоу по астрономии.

Среди отечественных деятелей науки и культуры самыми успешными в плане получения Нобелевских премий являются именно физики.

Они получали столь престижную награду шесть раз, а всего лауреатами стали девять человек. В 1958 году премию получили Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк «за открытие и интерпретацию эффекта Черенкова». Через четыре года лауреатом стал Лев Ландау «за пионерские теории в области физики конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия». Еще через два года Нобелевский комитет отметил Николая Басова и Александра Прохорова «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе». В 1978 году Петр Капица получил награду «за основополагающие изобретения и открытия в области физики низких температур». В 2000 году лауреатом стал Жорес Алферов «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной и оптической электронике». И, наконец, последняя на данный момент российская Нобелевская премия досталась в 2003 году Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу «за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести».

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

• Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
• В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
• В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

• 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
• 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Что еще почитать и посмотреть о графене

Нобелевская премия — 2010 по физике: Графен, Андрей и Константин | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

Во вторник в Стокгольме продолжилась так называемая «нобелевская неделя»: были объявлены лауреаты премии 2010 года по физике. Если накануне премии по медицине удостоился 85-летний исследователь за работы, выполненные более тридцати и даже сорока лет назад, то премия по физике была присуждена двум молодым ученым за работы, увенчавшиеся успехом всего шесть лет назад. Таким образом, тенденция награждать «пенсионеров» начинает давать сбои.

Родились в СССР, работают в Англии

Итак, Нобелевский комитет при Шведской королевской академии наук присудил премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». Оба лауреата — выходцы из Советского Союза: Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, Константин Новоселов — в 1974 году в Нижнем Тагиле.

Новоиспеченные нобелевские лауреаты: Андре Гейм (слева) и Костя Новоселов

Таким образом, Костя Новоселов — именно так его обычно именуют в научном мире на Западе — стал теперь самым молодым нобелевским лауреатом по физике. А Андрей Гейм — первым ученым, удостоившимся настоящей Нобелевской премии после получения так называемой Игнобелевской (или Шнобелевской) премии. Шнобелевская премия, учрежденная американским научно-сатирическим журналом Annals of Improbable Research («Ежегодник невероятных исследований»), была ему присуждена в 2000 году за использование магнитного поля для демонстрации левитации лягушек. В то время ученый трудился в Нидерландах, в университете Неймегена. Сегодня оба новоиспеченных лауреата «большой» Нобелевской премии работают бок о бок в Великобритании, в Манчестерском университете.

Скотч до Нобелевской премии доведет

Так что же такое графен? Дело в том, что углерод встречается в природе в различных аллотропных формах — в виде алмаза, карбина, графита, фуллеренов и нанотрубок. И каждая из этих модификаций имеет свои особые свойства. Что такое алмаз, уголь и графит, известно всем, поэтому я напомню лишь, что карбин — это линейный полимер углерода.

Молекулы карбина представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов; фуллерены — полые молекулы, имеющие форму выпуклого замкнутого многогранника и состоящие из большого — до 560-ти — числа атомов углерода; а нанотрубки — состоящие из атомов углерода вытянутые полые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон.

Графен же — это, собственно говоря, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Таким образом, графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двухмерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих кристалл графита.

Собственно, именно так этот новый материал и был впервые получен: ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, затем «промокнули» ее клейкой лентой — наподобие того, как это делают криминалисты, снимающие отпечатки пальцев с обнаруженной на месте преступления бутылки…

«Нам никто не верил…»

Первые сообщения профессора Гейма о том, что ему действительно удалось отделить от кристалла графита один атомарный слой, были встречены весьма сдержанно. «Никто нам не верил, — вспоминает ученый. — Мы посылали статьи и в Nature, и в Applied Physics Letters, но никто не хотел их публиковать. А многие коллеги из тех, кому было поручено проверить результаты нашей работы, даже не скрывали недоверия. Сегодня все они частенько наведываются ко мне, чтобы поподробнее разузнать о технологии получения нового материала: как наиболее эффективно расслоить графит, чтобы получить тончайший их всех возможных — атомарный — слой углерода».

Эта немыслимо тонкая, практически не имеющая толщины пленка обладает, как оказалось, рядом ценных, а порой и весьма необычных свойств.

Уникальное сочетание уникальных свойств

Представьте себе материал в миллион раз тоньше листа писчей бумаги! Казалось бы, он должен быть крайне непрочным. Ничего подобного, напротив! Гексагональная кристаллическая структура — своего рода плоские пчелиные соты из атомов углерода — придает графену гибкость, прочность, эластичность, а главное — высокую стабильность, в том числе и при комнатной температуре.

Кроме того, графен обладает высокой тепло- и электропроводностью. Это последнее свойство делает его особенно привлекательным материалом для электронной отрасли, — говорит профессор Гейм: «Для полупроводниковой промышленности очень важно иметь материалы, в которых носители электрического заряда могли бы передвигаться без помех. Ведь повсюду, где электроны рассеиваются на кристаллической решетке, выделяется тепло. Эти потери, в конечном счете, и ограничивает рабочую частоту электронных компонентов. В самом распространенном полупроводниковом материале — кремнии — электроны могут передвигаться относительно свободно. Но, скажем, у арсенида галлия этот показатель в шесть раз выше. Поэтому в мобильных телефонах и приемниках спутниковых сигналов сегодня используются микропроцессоры на основе арсенида галлия».

Графен — рекордсмен по подвижности электронов

Главный параметр, определяющий это свойство, именуется подвижностью электронов. Эта величина показывает, насколько свободно носители заряда могут передвигаться внутри материала. То, что в графене этот показатель исключительно высок, стало ясно сразу же после открытия нового материала: профессор Гейм уже тогда отмечал, что в графене электроны преодолевают расстояния, в тысячи раз превышающие межатомные, не рассеиваясь и вообще практически не реагируя на внешнюю среду. Дальнейшие измерения показали, что по подвижности электронов графен превосходит все известные твердые вещества.

«В графене подвижность электронов в 10 — 20 раз выше, чем в арсениде галлия, который применяется довольно широко именно потому, что характеризуется высокой подвижностью носителей заряда, — поясняет Андрей Гейм. — Это значительный качественный скачок, который открывает новые перспективы в разработке более быстрых электронных компонентов. Нынешние компьютеры на кремниевых или арсенид-галлиевых микропроцессорах работают с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах и гигагерцах. Графен же позволит создать чипы, пригодные для терагерцовых, то есть в 1000 раз более высоких частот».

Триумфальное шествие графена начинается

Впрочем, компьютерной отраслью перспективы прикладного применения графена не ограничиваются. Так, уже сегодня ведется работа над созданием электропроводящих покрытий для дисплеев мобильных телефонов, элементов солнечных батарей и высокочувствительных сенсоров для химического анализа жидкостей и газов на основе графена.

Профессор Гейм уверен, что со временем графен изменит повседневную жизнь человека не менее радикально, чем это некогда сделали полимеры. Того же мнения придерживается и Константин Новоселов. Он считает, что хотя многие необычные свойства графена будут востребованы лишь в более отдаленной перспективе, сверхбыстрые транзисторы, микромеханические устройства и наносенсоры на основе графена появятся уже в ближайшие годы.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева

Графен и его создатели. Справка

Будучи открытым всего несколько лет назад (в 2004 г.) учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими ныне в Манчестерском университете, графен быстро завоевал право называться материалом — преемником кремния, так как вскоре после начала его интенсивного изучения стало понятно, что по многим параметрам он превосходит наиболее широко используемый полупроводник.

Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 г., он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза – из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Согласно расчетам, микроэлектронные чипы на основе графена должны быть легче, производительнее, стабильнее в работе, должны потреблять меньше электроэнергии и меньше ее количество рассеивать в виде тепла. Наибольшая сложность в создании готовых электронных устройств на основе графена до сих пор заключалась в технической сложности получения углеродного листа больших размеров и отсутствия технологий манипуляций с ним.

В июне 2010 г. в Nature Nanotechnology была опубликована статья группы исследователей из Кореи и Японии, которые впервые сумели использовать углеродный наноматериал графен для создания сенсорного экрана с большой диагональю, что может приблизить появление гибких дисплеев и солнечных батарей и позволит существенно снизить их стоимость.

Ученые впервые сумели показать, что манипуляции с графеном возможны по принципам стандартной роликовой технологии, используемой, например, при печати газет и журналов. В своей работе они сумели получить большой лист графена, используя метод реакционного химического осаждения углеводородного сырья на гладкую пластину из меди. После этого с помощью роликов ученые покрыли графен слоем специального клейкого полимера, а медную подложку растворили травлением.

На следующем этапе ученые с помощью все той же роликовой технологии при нагревании перенесли графен с клейкой поверхности полимера на обычный пластик, используемый, например, для производства бутылок прохладительных напитков. Авторы публикации показали, что таким образом можно нанести несколько слоев графена друг на друга.

Полученный таким образом прямоугольный графеновый лист с диагональю 76 см ученые сумели превратить в прозрачный электрод для сенсорного дисплея. Такой дисплей, в отличие от современных аналогов, где в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, отличаются долговечностью, гибкостью, повышенной прозрачностью и, что наиболее важно, низкой стоимостью и экологичностью производства.

Создатели графена:

Константин Новоселов: Креативность – это то, что нельзя предсказать

Лауреат Нобелевской премии по физике о том, чем похожи наука и искусство и почему искусственный интеллект не сможет полностью заменить человеческий

Константин Новоселов, лауреат Нобелевской премии по физике, художник /личный архив ученого

Константин Новоселов начал рисовать, когда уже всерьез занимался наукой. Потому что сам иллюстрирует собственные научные статьи. Китайской графикой Новоселов увлекся из-за недостатка времени и усидчивости, признается он, а также потому, что в этой технике художник рисует не с натуры, а свои ощущения. После открытия графена Новоселов стал всемирно знаменит: в 2010 г. ему и Андрею Гейму за это открытие присудили Нобелевскую премию. Резко вырос интерес и к живописи физика, тем более что Новоселов рисует графеном. В июне – июле в Эрмитаже прошла выставка «Искусственный интеллект и диалог культур», одним из участников которой был Новоселов. Во время этой выставки художник и ученый встретился с корреспондентом и ответил на вопросы «Ведомостей».

Толщина в один атом

– Можете на пальцах объяснить, что такое графен?

– Графен – это один атомный слой графита. Чтобы его получить, нужно делать графит все тоньше и тоньше. Графит – это слоистый материал. Почему вы можете рисовать карандашом – потому что он легко расслаивается и чешуйки, которые отслаиваются, вы видите как след карандаша. Если вы будете отслаивать чешуйки все тоньше, и тоньше, и тоньше, в результате у вас будет один атомный слой этих чешуек, и вот это и будет графен. На удивление, один слой и два себя ведут совершенно по-разному. Три – тоже по-другому. Свойства отличаются радикально. И когда у вас остается один слой, свойства электронов очень-очень необычные. Это то, почему физики его очень любят.

– И что с ним делают?

– С ним, во-первых, удобно работать, он оказался очень устойчивым материалом. Каждый студент может за две минуты сейчас сделать с помощью скотча образец графена, и он будет очень высокого качества. Это очень демократичный материал, а свойства очень необычные. Его электронные свойства можно менять в широких пределах. Это то, что нужно, чтобы делать транзисторы. Транзисторы – это такие электронные приборы, это как кран, его можно открыть или закрыть, ток либо течет, либо не течет. Если у вас есть один слой, это очень легко делать. Плюс там еще огромное количество других свойств: это самый прочный материал, самый теплопроводящий, из-за этих свойств его сейчас много используют. Во всех телефонах Huawei сейчас используется графен для теплоотвода. Я даже сам не знал про это, мне позвонили из компании Ford, оказывается, с октября 2018 г. все автомобили Ford используют графен в каких-то частях двигателя. Они позвонили узнать, какие еще новые интересные материалы сейчас изучаются в нашей лаборатории. Графен очень хорош для печатной электроники. Есть класс электронных устройств, которые очень простые, для них не нужны какие-то сложные технологии, как кремниевая технология. Эти устройства можно просто напечатать на принтере. Поэтому мы делаем графен, режем на очень маленькие кусочки, буквально микрон или меньше, и делаем из этих кусочков чернила и просто ими печатаем.

Родился в 1974 г. в Нижнем Тагиле. В 1997 г. окончил с отличием факультет физической и квантовой электроники МФТИ по специализации «наноэле­ктроника»

1999

переехал в Нидерланды, начал работать в Университете Неймегена

2001

начал работать под руководством Андрея Гейма в Университете Манчестера

2004

защитил диссертацию на степень PhD в Университете Неймегена

2010

лауреат Нобелевской премии по физике (совместно с Андреем Геймом)

2011

избран членом Королевского общества Великобритании

2013

начинает работать как художник и выставляться в России и за рубежом

– А вы этими чернилами, сделанными из маленьких кусочков графена, рисуете?

– Я ими рисую, да. Мне их пришлось немножко модифицировать, чтобы они лучше смачивали рисовую бумагу, на которой я рисую. У одного из стартапов Университета Манчестера есть завод в Китае, который производит печатную электронику на основе графена и других материалов. В частности, я беру на этом заводе графеновую краску, ее немножко модифицирую и рисую.

– Чем вы как ученый занимаетесь сейчас?

– Графеном я сейчас практически не занимаюсь. Мы поняли через какое-то время, что графен не единственный. Он был самым первым двухмерным материалом, самым, наверное, интересным, но он не единственный. Оказалось, таких материалов в один атом толщиной можно создать огромное количество. Я обычно шучу, что если мы берем обычный простой карандаш и рисуем, то у нас получается графен. Еще можно взять цветные карандаши, из них получатся другие материалы. Это шутка, но в ней есть доля правды. Ученые во всем мире сейчас очень много занимаются другими материалами, которые тоже в один атом толщиной. Это стало возможно после графена. И как продолжение этого мы делаем сейчас искусственные материалы. Представьте, что вы пришли в лабораторию, у вас есть один слой графена, один слой другого материала, полупроводник, изолятор. Дальше вы можете их начать складывать и смешивать разные материалы. То есть вы делаете искусственный материал, который в природе не встречается, но вы его складываете с атомарной точностью. У нас студенты это делают буквально руками, по одному слою. Получается довольно-таки толстый набор, и свойства можно контролировать на атомарном уровне, можно какую-то функциональность туда вводить. Мы делаем транзисторы, диоды, фотодетекторы, другие устройства на основе таких материалов.

Что делать в пятницу вечером

– Когда вы осознанно заинтересовались искусством?

– Мне всегда хотелось научиться рисовать. Мне всегда казалось, что я смогу, но я себя останавливал, поскольку я думал, что, наверное, таланта у меня не хватает, а что-то просто так делать – плохо. То есть до какого-то времени я себя просто сдерживал и даже не пытался. Рисовать начал, уже будучи научным работником. Основной продукт ученого – это статья. Открытие – не продукт. Продукт – это когда вы к формуле написали статью, объяснили другим людям. И для статьи всегда нужны иллюстрации, это самый простой способ донести что-либо до людей. Я всегда такие иллюстрации делал сам. Мне очень нравилось рисовать, чтобы это было красиво, понятно и доступно. До какой-то степени я это свое увлечение сдерживал, но в какой-то момент так получилось, что я начал рисовать.

– Вашему художественному образованию в детстве родители уделяли время?

– Мне немного обидно, что у меня не было художественного образования. Мама решила, что не хочет насиловать психику ни мне, ни моей сестре, и нас не отдали ни в музыкальную школу, ни в художественную. В этом смысле мы были абсолютно нормальными детьми, время проводили во дворе. Но зато у меня было хорошее техническое образование. Я проводил очень много времени с отцом, мы занимались автоспортом: он багги, я – картингом. Разумеется, все делалось нами самими на коленке, мы точили, варили.

– То есть потом вы учились китайской графике в первую очередь для себя?

– Только для себя.

– Чем вас привлекает китайский стиль?

– Одна из причин, почему я рисую в китайском стиле, – это нехватка времени и, наверное, нехватка усидчивости. Мне нужно знать ответ сегодня и сейчас. Это опять же, почему я выбрал именно то направление науки, в котором работаю. Разные области науки устроены по-разному. Есть огромные научные проекты, в десятки тысяч людей. Делаешь свой проект, и через пять лет он может еще не закончиться. Мне это не очень нравится. Не то, что это плохая наука, просто это не соответствует моему темпераменту.

Искусственный интеллект vs. человеческий интеллект

В работе, представленной на выставке в Эрмитаже, Константин Новоселов, как и другие участники, исследовал искусственный интеллект. «Победит ли искусственный интеллект настоящий, я не знаю, – говорит художник, – но то, что он не победит creativity, это точно. Поскольку creativity – это то, что вы не можете предсказать. И то же самое с научными открытиями: вы можете создать условия, чтобы открытие произошло, но предсказать и гарантировать это не можете никогда. И шедевр в искусстве вы не можете предсказать. Когда он получится и получится ли вообще, вы не знаете. Я для себя объясняю, что вы должны создать условия, а потом что-то должно случиться, щелкнуть, дальше вы свой мозг должны ввести в пограничное состояние. И когда небольшой толчок извне случайно его переведет в другое состояние, он сам создаст что-то новое. По крайней мере, занятие искусством мне помогло понять, как же работает наш мозг».

– Но вы же графен не за день извлекли.

– Да. Графен мы извлекли где-то минут за 10. Мне очень нравится в той науке, что я делаю, что я могу прийти утром с идеей, а к вечеру уже сделаю образец, его померяю, у меня уже будет ответ. Немного утрирую, но близко к правде. Так что наука и китайское искусство для меня где-то сродни, вам нужно закончить картину буквально на одном дыхании, пока вы находитесь в каком-то определенном душевном состоянии. Нарисовать дважды одну картину не получится. Я знаю, что если я сегодня остановлюсь, то завтра это уже работать не будет. То же самое в физике. Негласное правило для студентов: если сегодня эксперимент идет, то нужно продолжать и не останавливаться, потому что завтра уже что-то будет не так. И видимо, это отсутствие усидчивости у меня с детства, т. е. мне хотелось что-то нарисовать очень большое, красивое, но не прикладывая много усилий. Поэтому трюк от Сент-Экзюпери с удавом и слоном я выбрал как свой любимый. Я когда узнал этот трюк, то мгновенно понял, что это мое. И я все стал рисовать ровно в таком стиле. Я абсолютно не шучу.

– Маленькое уточнение: вы говорите, что вы извлекли графен за 10 минут. Вы первый человек, который его извлек. Мне кажется или это огромная предварительная работа, расчеты, исследования?

– За 10 минут пришла идея, которую мы проверили, и она сработала. После этого потребовался еще год, чтобы получить графен. Но главное – это идея. Идея извлечь графен родилась из так называемых пятничных экспериментов, friday evening experiments. Андрей Гейм, он тогда был моим научным руководителем, установил правило: периодически нужно делать что-то вне основного направления деятельности. Графен был одним из таких экспериментов. Идея была такая: можем ли мы сделать транзистор из графита и мы знаем, что для этого нужно сделать очень-очень тонкий слой графита. Взяли кусок дорогого графита, дали его китайскому студенту, дали ему полировочную машину – иди, отполируй. Он пришел через неделю с горкой пыли. Вот, еще графит есть? Ну, бог с ним, нет и нет, ладно. И забыли про это. А в это же время в соседней лаборатории наши коллеги запускали новый прибор под названием сканирующий тоннельный микроскоп. Металлическая иголка движется над поверхностью, меряет ток между этой иголкой и поверхностью, и поверхность должна быть идеально гладкой. И уже лет 40 для этого используется графит. Почему графит? Потому что его можно отщепить клейкой лентой, у вас получится очень гладкий скол, при этом абсолютно чистый. Там можно увидеть даже атомы с помощью этого микроскопа, т. е. они всегда клейкой лентой отщепляли, эту ленту выбрасывали, вот у вас остается чистая поверхность. Причем все этот способ знают, и я знал в свое время. Это произошло просто в правильный момент. Я про это думал, осталось только поднять эту ленту из мусорного ведра, перенести чешуйки графита на какую-то подложку, приделать контакты и измерить электронные свойства. За какие-то пять минут я сделал образец, и буквально первый же образец показал результат, что это можно использовать как очень-очень плохой транзистор, т. е. стало понятно, что это правильное направление, и после этого потребовался еще год, чтобы дойти до графена.

Почему никто до этого так не сделал? Сложно сказать. Наверное, много причин. Во-первых, все, включая нас, знали, что это невозможно. Я не знал, до какого момента можно делать все тоньше и тоньше, но вся моя практика работы с нанотехнологиями мне подсказывала, что один слой точно нельзя получить. Он будет неустойчивым, распадется, что-то еще с ним случится. Я уверен, что все другие ученые тоже это знали. А второе, почему это получилось, – у нас все-таки оборудование, наш опыт по измерению электронных свойств немножко был побогаче, чем у других людей.

Проблема велосипеда

– А когда вы были студентом Физтеха, наверное, и не предполагали, что станете художником?

– Не поверите, я даже не предполагал, что стану ученым. В 1997 г. закончил институт. А тогда пошла мода на то, что нужно зарабатывать деньги, идти в бизнес, я довольно серьезно этим занимался, фактически очень мало учился. У нас была строительная компания, мы строили, были специалистами по кровле. Я несколько лет практически приходил в институт, чтобы сдавать экзамены, а в основное время зарабатывал деньги. Потом, слава богу, мне это надоело, я вернулся писать диплом и остался в науке. Мне просто стало скучно в бизнесе.

– 1990-е в России были еще и временем расцвета акционизма. Олег Кулик был собакой, Александр Бренер вызывал Ельцина на боксерский поединок. А ваша культурная жизнь тогда из чего состояла?

– Однажды нас, студентов, позвали подрабатывать клакерами за контрамарки. Мы в Большом работали. Мне, конечно, в этом смысле очень повезло. Я пересмотрел весь балетный репертуар Большого, и не по разу, это было здорово. А дальше, в 1994-м, был период, когда в Москве ставили сразу несколько «Гамлетов». Это была очень свежая струя, это было откровение. Но учеба, а потом работа, а потом все вместе отнимали большую часть времени. В тот момент я очень плохо себе представлял, что такое современное искусство.

– В одном из интервью вы говорили о том, что искусство не требует объяснений.

– Я абсолютно в этом уверен.

– Но мы сейчас видели выставку невероятно сложную, с огромным количеством техники, есть вещи, которые ты совершенно не понимаешь, как сделаны.

– А вам это нужно? Вы видите, когда это произведение искусства, а когда просто рисунок. По каким признакам это видно, я вам не смогу объяснить, но это где-то внутри заложено, что-то исходит из этой картины. Я уже рассказывал, что я учился китайскому искусству, рисовал лотосы, бамбуки.

– А потом нарисовали велосипед.

– А потом нарисовал велосипед. Потом [председатель правления ярмарки современного искусства Viennacontemporary] Дима Аксенов у меня его купил. Думаешь – велосипед, я еще таких велосипедов нарисую. С тех пор я больше не могу его нарисовать. Я не знаю, почему. Я же физик, а не метафизик. Я абсолютно рациональный человек. У меня никаких сдвигов в голове нет, я научные статьи публикую по-прежнему. Но с велосипедами проблема. И понимаете, я вам могу какую-то историю про этот велосипед рассказать, но почему этот отличается от вот этого, я вам никогда объяснить не смогу.

Работы Константина Новоселова

– Тогда возьмем группу Obvious – самую успешную из тех, что работает сегодня с искусственным интеллектом. Ведь если бы никому не объясняли, что это изображения, созданные искусственным интеллектом, причем искусственный интеллект является равноправным членом художественного коллектива, это бы не произвело такого мощного эффекта и не продали бы их работу в октябре прошлого года на Christie’s за $432 500. Вот пример, когда конкретное объяснение работает на художника и на историю искусства.

– Оно работает на художника, это правда, на историю искусства работает оно или нет, я в этом не уверен. Я думаю, что искусственный интеллект останется в искусстве, мы его будем применять каким-то образом. То, что сейчас происходит, это такой процесс обучения, мы пытаемся понять, как же это делать. Вы видите, очень много похожих работ появляется. Это нужно пережить. Я думаю, что искусственный интеллект будет одним из инструментов, это очень мощный инструмент. Он уже появился, от этого не избавиться. Нужно ли будет объяснять, что он делает? Я думаю, что нет.

– А если он начнет делать красиво и концептуально?

– Если он будет делать красиво, – это одно, но я думаю, вы сами почувствуете, когда он будет делать настоящее искусство, а когда нет. Уже сейчас видно, где это просто производство, а где это реально искусство.

– Вы сами видите себя в science art?

– Я думал про это, и мне кажется, что у нас хватает проблем в science и хватает проблем в art. Если они сами смешаются, то замечательно. Почему я выбрал именно китайское искусство? Когда я подхожу к полотну, к бумаге и беру кисточку, я не всегда знаю, что я буду рисовать. Если это имеет отношение к science, замечательно, но я не буду себя специально заставлять рисовать что-то, что имеет отношение к науке. Зачем себя вгонять в дополнительные рамки? Поверьте, у меня не так много работ, которые мне нравятся. В год, может быть, 10–20. Те, которые мне не нравятся, я никому не показываю, я их выбрасываю.

– Какую роль в вашей судьбе художника сыграл Дмитрий Аксенов?

– Дима мне очень помог. Он мне помог с выставками, у меня какие-то картины стали продаваться. Я подумал: а почему бы мне не стать не физиком-художником, а художником-физиком, может быть, просто художником? Но в какой-то момент понял, что я этого не хочу и даже боюсь. Потому что мне очень нравится, что я рисую, когда хочу. И если у меня не получается сегодня, завтра и месяц ничего не получается, меня это не волнует. Значит, мозг работает в другом направлении, значит, он больше ориентирован на физику. А если бы мое существование от этого зависело, я бы начал волноваться, я бы начал где-то халтурить. Сейчас я выставляю, и делаю, и продаю только те картины, которые мне на самом деле нравятся.

– А вы заинтересованы в выставках, в продажах?

– Я заинтересован только в том, что каждая выставка требует подготовки и вы начинаете про это думать, это некий стимул, как себя вывести на правильное мироощущение. В этом смысле мне нравится. В частности, я недавно стал готовиться к выставке в Оверни, это во Франции, – это совместная выставка с современной художницей Кейт Доуди, у меня с ней несколько проектов. В Оверни выставка будет на бумажной фабрике, это одна из старейших, может быть сейчас самая старая бумажная фабрика. Нобелевские дипломы печатаются на их бумаге. Очень маленькая фабрика, делают бумагу вручную. Кейт познакомила меня с этими людьми, мы решили: а почему бы не сделать маленькую выставку у них? Я попробовал рисовать на их бумаге, получается по-другому, чем на рисовой (которую использую обычно).

– Тоже графеном?

– Графеном и чернилами получается по-другому. Ощущения совсем другие и техника совсем другая, чем на рисовой бумаге, поскольку впитывается гораздо хуже, но там можно другие методы использовать. Я научился с этим работать, там можно снимать лишнюю краску, возникают другие техники. Я какое-то время назад стал готовиться к этой выставке и очень много стал рисовать на их бумаге.

– То есть вы хотели бы дальше развиваться именно как график?

– Меня всегда поражала китайская графика, каллиграфия. В этом смысле она очень похожа на науку. Все, что вокруг нас, очень сложно. Например, вам надо измерить показатель преломления воды в этом стакане. А кругом люди говорят, создают колебания, поверхность неровная, а вода газированная. Но когда вы делаете эксперимент, вам надо убрать все лишнее и оставить только то, что вы хотите, – показатель преломления чистой воды. В этом искусство экспериментатора – как ослабить все ненужные эффекты и усилить то, что нужно. Китайская живопись работает так же. Вы никогда не рисуете с натуры. Вы рисуете свое ощущение.

Есть китайские картины, где за 5–10 штрихов передается какой-то безумно широкий диапазон настроений. Мне до этого еще очень-очень далеко. Это виртуозное владение не только кистью, но еще и собственным мозгом. Вот это вычленение главного важно и в физике, и в китайской живописи.

– Вам не надоело, что вас всегда и везде представляют как художника – лауреата Нобелевской премии по физике? А вы еще и рыцарь.

– Да, причем даже дважды, я еще в Голландии рыцарь. Меня это немножко коробит. Например, у Кейт Доуди была служба в соборе Святого Павла в Лондоне в честь ее работы с беженцами. Я читал там проповедь, и один из клириков ко всем обращался нормально, а ко мне – «сэр Константин». Я ему объясняю, что просто Костя. Еще проще – Коста, как кофе. Он все равно – сэр Коста. Кейт пришлось вмешаться: «Давайте «сэр» уберем, просто Костя».

– Как вы думаете, ваши регалии сказываются на восприятии ваших работ?

– Ничего с этим поделать я не могу – знаю, что это сказывается. Поэтому самое важное то, что я свои работы посылаю своему учителю в Китай. Кто не соврет, так это он. Он честно говорит, когда это полное дерьмо, а когда хорошо. Я совершенно четко осознаю, что есть огромное количество людей, которые талантливее, чем я. Но признание – это полезно. Страдание не всегда полезно. Есть предел, до которого это важно, но иногда похвала тоже очень важна. К художникам надо очень аккуратно относиться, очень ранимые люди.

– Ученые не такие ранимые?

– Очень, очень, очень сильно ранимые. Поэтому путь очень важен, но что здесь более важно – талант, трудоспособность, – всегда очень сложно предсказать. Когда я беру студента к себе на работу, я всегда смотрю на оба параметра. Без таланта, без хороших знаний, конечно же, в науке делать нечего. Но приходится работать очень-очень-очень много, и людей, которые не собираются работать, я к себе не возьму. Я думаю, что в искусстве то же самое. Талант важен, но работа важна тоже.

«Шаг вперед – и вон отсюда»

– В 1993 г. вы были на баррикадах в Москве. Почему?

– Да, я побегал по Москве с арматурой. У нас воодушевление было, что нужно идти защищать демократию. Две вещи меня поразили в ту ночь. Мы всю ночь куда-то бежали, что-то завоевывали. Потом у «Известий» сидели, жгли костры, охраняли какие-то баррикады. Утром нас завели во двор горсовета, напротив памятника Долгорукому, и кто-то очень умный сказал, что борьба еще не закончилась, нам нужны решительные люди, кто готов взять в руки оружие, шаг вперед. Я и мои друзья сделали шаг вперед. Кто-то очень умный сказал: вот те, кто шаг вперед, – вон отсюда! Нас выгнали. Очень-очень-очень умный. Я приехал домой, мы жили в Долгопрудном, на Физтехе. Утром пришло осознание и похмелье от этого ночного приключения. С тех пор я понял, что я больше участвовать ни в какой революции не буду.

– Вы уехали из России потому, что здесь всегда было мало возможностей для ученых?

– В частности, да, но, в принципе, это нормально для ученого, что нужно поучиться в одной лаборатории, поучиться в другой. Когда вы сидите на одном месте, вы не развиваетесь. У меня появилась возможность, я решил, что нужно ехать. Я начал учиться в аспирантуре в Черноголовке, не закончил, уехал в Голландию, аспирантуру там тоже не закончил, уехал в Англию. У нас в институте учат физике очень хорошо, но нас не учат делать науку. Это две разные вещи. Я свою диссертацию нигде не защищал, мне не надо было. При этом мне страшно повезло, что я учился науке у Андрея Гейма. А потом так получилось, что Андрей в какой-то момент сказал: «Ну что, Костя, все, я тебе тут зарплату платил два года, давай сейчас сам». Я пошел, написал проект, мне дали грант, чтобы я сам себе зарплату платил. А потом они пишут: «Костя, а вы знали, что там есть одно условие: вы должны быть кандидатом наук, PhD?» У меня, разумеется, на это времени не было, я давно и думать про это забыл. Я бегал как headless chiсken, я этот диплом кандидата наук был готов в интернете купить. Сложно было, из Англии выгоняют, виза заканчивается. Деньги лежат, их надо брать, а без диплома нельзя. Отдельная история, как я этот диплом защищал в Голландии, было очень весело.

– Все, что могло пойти плохо, все пошло. Мне голландцы говорят: «Ладно, если за три месяца успеешь сделать диссертацию, давай».

– Это очень небольшой срок.

– А для голландцев, учитывая педантизм их системы, три месяца – это как вчера. В Голландии еще нужно свою диссертацию издать как книжку с правильным ISBN-номером. Тиражом минимум 200 экземпляров: в одну библиотеку, в другую. Я приехал в издательский дом, там нужно выбрать обложку. Мне было сильно не до этого, но это нужно сделать. А переплет какой будем делать? А какие вообще есть? И тут кто-то такой же умный, как с автоматами: «Скажи честно, ее кто-нибудь будет читать?» – «Нет». – «Хорошо. Такой переплет и сделаем, чтобы ее можно было один раз открыть и все». А у меня уже виза закончилась, я подал на продление, паспорт где-то застрял, мне его прислали за три часа до вылета самолета. А тут еще обанкротилась компания, которой я летел из Англии в Голландию, мне пришлось покупать новый билет в последний момент. Я вбежал в зал, где защита происходит, успел. А защита происходит в Голландии так, что уже все предрешено заранее, но она должна длиться ровно час. Разумеется, никто реально твой диссер не читает, каждый человек по два вопроса приготовил – и все. А я был настолько во встревоженном, экзальтированном состоянии, что на эти вопросы ответы выпаливал как из пушки. И вот вопросы закончились, а время еще осталось. А защиту нельзя закончить раньше. Никто не хочет задавать вопросы. И сидит Андрей Гейм, он приехал на мою защиту, потому что ему почему-то нравилось приезжать в Голландию. Спасибо ему. Андрей, конечно, мой диссер тоже не читал, он в работе участвовал от начала до конца, но что я там писал, он не знает. И вот начальник этой комиссии понимает, что никто больше вопросов задавать не будет, тут его взгляд падает на Андрея: Андрей с Костей еще работает, он-то знает. И просит его задать вопрос. А Андрей понятия не имеет, о чем у меня диссер. Он встает и говорит: «Ну, это, наверное, слишком цинично – задавать Косте вопросы, потому что мы с ним всю эту работу вместе делали. Давайте я вам лучше расскажу анекдот, как Костя добирался к вам сегодня в Голландию». И он 20 минут им рассказывал анекдоты, как паспорт потерялся, как авиакомпания обанкротилась, как меня хотели из страны выгнать. Народ смеялся, время протянули, пока это не закончилось.

Теория небольших скачков

– Вы можете что-то рассказать про будущее? Сейчас технологический прогресс движется очень быстро и наука развивается гораздо стремительнее, чем раньше.

– Во-первых, я умею очень хорошо предсказывать, но только прошлое, будущее – нет. И тут я всегда вспоминаю цитату из Артура Кларка, который писал, что прогнозы – дело неблагодарное, они оказываются – по-английски это было laughably conservative – до смешного консервативными. Технологии развиваются квантовыми ступеньками. Возникает скачок, вы развиваетесь дальше. Ядерная энергия, или транзисторы, или гнущиеся дисплеи. К сожалению, человеческий мозг не может запрограммировать, какие скачки произойдут. Из этой точки мы можем линейно аппроксимировать. Я уверен, что на протяжении 5–10 лет произойдет один, а то и несколько маленьких скачков, которые в сумме нас сдвинут с этой линейной аппроксимации, либо просто ускорят ее, либо вообще отбросят в какую-то другую сторону.

– Вы думаете, что возможен регресс?

– Нет, я бы не был так пессимистичен. Мы когда сделали графен, то очень быстро и энергично с ним работали, научные эксперименты, применение – это было очень весело, было замечательно, было единение огромного количества ученых по всему миру. Такого командного духа ни до ни после я не испытывал, но при этом я абсолютно точно знал, что это такая игрушка для лаборатории, что никогда в жизни это в практику не пойдет. Через 10 лет практически в каждой области технологий мы видим, что графену находят применение, в том числе в больших корпорациях. Это пример того, как я сам очень-очень сильно ошибался. Я знаю, что всегда будет происходить либо один большой скачок, либо много маленьких, которые дадут нам новые направления. Очень много людей говорят, что технологии так быстро развиваются, что человек становится ненужным. На самом деле то же самое происходило и до нас, научные открытия, которые делались в начале XX в. Казалось, вся физика уже создана, ученые не нужны. Сейчас у нас в сто раз больше ученых, если не в тысячу, и мы производим научное знание со скоростью в сто раз больше, чем оно производилось сто лет назад, и все равно количество работы, которое остается, еще колоссальное. Поэтому у меня есть некоторый оптимизм, что технологии, искусственный интеллект не вытеснят нас полностью. В какой-то краткосрочной перспективе – да, такое возможно, но потом мы найдем, чем нам заняться.

Андрей Гейм: от Шнобеля до Нобеля

Воспитанники российской научной школы Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили нобелевскую награду за создание самого тонкого в мире углеродного материала — графена.

В интервью каналу «Россия 24» Андрей Гейм заявил, что полученное им российское образование — это задел на всю жизнь. «Такого образования не получишь ни в Гарварде, ни в Кембридже», — подчеркнул лауреат нобелевской премии.

Андрей Гейм отметил, что будет работать как и раньше. «Эта премия не первая из тех, которые я получал, но, надеюсь, и не последняя», — признался ученый.

«То, что мы нашли пять лет назад – новый класс материалов, которые не имеют толщины или у которых толщина самая маленькая — один атом. Такие материалы были неизвестны, и последние пять лет мы занимались исследованием свойств этих материалов и пытались найти их полезность», — рассказал Гейм.

По словам ученого, сфера употребления этих материалов широка — существует целый класс возможных применений.

Андрей Гейм учился на физтехе МФТИ, получил образование в Черноголовке в Институте твердого тела и Институте микроэлектроники.

Андрей Константинович Гейм родился в Сочи в 1958 году, окончил МФТИ, с 90-го года работает за границей. Последние 10 лет руководит центром по мезонауке и нанотехнологиям Манчестерского университета. За открытие графена еще три года назад  получил медаль Британского института физики.

Андрею Гейму принадлежит изобретение нового вида клеящих материалов, так называемой ленты гекко. Кроме того, он известен опытами в области диамагнитной левитации – с летающей лягушкой, за которые в 2000 году получил так называемую Шнобелевскую премию.

Константин Новоселов — ученик Гейма — ему всего 37 лет. Окончил МФТИ, работал в Институте микроэлектронных технологий в Черноголовке. В 2001 уехал к своему учителю в Манчестер. Написал более шестидесяти научных статей, большинство из которых посвящено экспериментам с графеном.

Графен: история, противоречия и Нобелевская премия

Графен, широко раскрученная двумерная матрица атомов углерода, организованная в сотовую решетку, является самым легким, прочным и тонким материалом, известным человеку, а также лучшим проводником тепла и электричества. когда-либо обнаруженный — и на этом список не заканчивается. Графен является предметом неустанных исследований и, как считается, может произвести революцию в целых отраслях, поскольку исследователи выдвигают гипотезы о многих потенциальных видах материалов и приложений на основе графена.

Волнение вокруг графена резко возросло после того, как сэр Андре Гейм и сэр Костя Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике 2010 г. «за новаторские эксперименты с двумерным материалом графена». Гейм и Новоселов извлекли графен из графита методом «скотча», чтобы получить кусок графена (или углерода) толщиной в один атом.

Хотя получение престижного приза определенно было впечатляющим признаком, это не первый случай, когда графен оказывается в центре внимания ученых.Графен имеет долгую историю, и на самом деле он был известен уже с девятнадцатого века. Английский химик Бенджамин Коллинз Броди признал высокослоистую природу термически восстановленного оксида графита еще в 1859 году, сообщив об атомном весе графита в «Философских трудах» Лондонского королевского общества в том же году. С тех пор было проведено множество дополнительных исследований графена, и работа П.Р.Уоллеса 1947 года является хорошим примером — он предсказал электронную структуру и отметил линейную дисперсионную зависимость.

Позже, в 1962 году, Бём и его коллеги опубликовали подробности своей работы с чешуйками графита. Они выделили и идентифицировали отдельные листы графена с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и дифракции рентгеновских лучей в 1961 году. Термин «графен» впервые был использован в 1987 году для описания отдельных листов графита, а также в ранних описаниях углеродных нанотрубок. . В начале 1970-х годов химики придумали, как нанести углерод из монослоев графена на другие материалы.

Андре Гейм, Константин Новоселов и их сотрудники из Манчестерского университета (Великобритания) и Института технологии микроэлектроники в Черноголовке (Россия) представили свои результаты по графеновым структурам в октябре 2004 года в статье, описывающей изготовление , идентификация и определение характеристик графена с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).Они использовали простой метод механического отслаивания для извлечения тонких слоев графита из кристалла графита с помощью скотча, а затем перенесли эти слои на кремниевую подложку. Кроме того, им удалось собрать образцы, содержащие всего несколько слоев графена, в холловский стержень и подключить к нему электроды.

Было слышно много голосов вокруг решения Нобелевского комитета о присуждении в 2004 году премии, связанной с графеном, и разгорелись споры по поводу истории этой области. Несколько ученых заявили о фактических ошибках в рассуждениях Нобелевского комитета, когда они были опубликованы, и впоследствии веб-сайт был обновлен.Другие предположили, что награда была преждевременной и, возможно, работу других ученых следовало включить в премию. Некоторые исследователи указали на аналогичные или конкурирующие достижения, предшествовавшие Нобелевской работе.

Нобелевский комитет, однако, присудил награду за новаторские эксперименты, а не за «открытие» графена. Более того, многие отмечали, что именно автономная природа нобелевского графена (в отличие от поддерживаемых и скрепленных листов более ранних работ) сделала его достойным награды.В лекции Гейма о присуждении Нобелевской премии он предполагает, что его и Новоселова статья 2004 года ознаменовала собой первый случай, когда единственный атомный слой углерода был изолирован совершенно недвусмысленным образом, и он повторяет известное предположение о том, что до этого была некоторая причина думать, что графен может быть нестабильным (до 2004 года некоторые считали, что графен не существует в свободном состоянии и считался нестабильным). «Вероятно, поэтому для выделения графена потребовалось так много времени», — говорит он. Бем, вышеупомянутый ученый, занимающийся исследованиями графена, сказал, что, по его мнению, Нобелевский комитет «не проявил должной осторожности, ожидаемой для такого решения».Но он, тем не менее, считает, что награда может быть оправдана электронными измерениями Гейма и Новоселова на графене. «Это, безусловно, были новые, во многом неожиданные результаты», — говорит он.

Несмотря на свою запутанную историю, графен представляет собой увлекательный материал, который имеет большие перспективы и постепенно становится реальностью, поскольку компании и исследователи неустанно работают над разработкой методов производства, использования и применения графена в повседневных продуктах.

Как образуется графен и как он был обнаружен

Графен обладает потенциалом изменить электронику в течение нескольких новых десятилетий, по крайней мере, не меньше, чем роль кремния за последние 50 лет.Идея проста — создать лист из атомов углерода толщиной всего в один атом — но как изготовить этот материал?

Производство графена начинается с листа медной фольги, который содержится в печи, заполненной газом аргоном, предназначенным для удаления кислорода из воздуха. Затем атомы углерода осаждаются на матрицу, и на лист добавляется пластиковое покрытие, которое затем вращается 3000 раз в минуту. Многослойный лист позже разламывается под воздействием комбинации химикатов, удаляя медь и большинство посторонних материалов.Затем неочищенный графен загружается на кремниевый чип, а затем подвергается взрыву золотых гранул и плазмы.

Поскольку лист графена имеет толщину всего в один атом, этот материал не может быть виден человеческим глазом. Однако почти каждый произвел это замечательное вещество в ходе обычной жизни. Графит является основным компонентом грифеля карандаша, а легкие карандашные линии могут образовывать небольшое количество графена.

«Очарование этим материалом проистекает из его замечательных физических свойств и потенциальных возможностей применения этих свойств в будущем.Хотя ученые знали, что существует двумерный кристаллический графен толщиной в один атом, никто не придумал, как извлечь его из графита », — сообщает Манчестерский университет на своем веб-сайте.

Именно в том университете в Англии в 2004 году пара исследователей наконец нашла способ надежно получить это вещество. Андре Гейм и Костя Новоселов приняли участие в «экспериментах в пятницу вечером», в ходе которых они проводили исследования, не связанные напрямую с их профессиональными исследованиями.

«Однажды в пятницу двое ученых удалили несколько хлопьев из куска насыпного графита с помощью липкой ленты. Они заметили, что одни хлопья были тоньше других. Многократно разделяя фрагменты графита, им удалось создать чешуйки толщиной всего в один атом. изолированного графена впервые », как описывает это событие Манчестерский университет.

Графен — самый тонкий из когда-либо изобретенных материалов — куча из миллиона листов вещества была бы толщиной с человеческий волос.Несмотря на это, он в 200 раз прочнее стали и является самым проводящим материалом в мире.

Пара отважных исследователей получит Нобелевскую премию за свои усилия, и это, вероятно, только начало надвигающейся графеновой революции в электронике и материаловедении.

Ⓒ 2021 TECHTIMES.com Все права защищены. Не воспроизводить без разрешения.

Графен, изобретатели графена | Эдубилла.com

Графен представляет собой аллотроп углерода в форме двумерной гексагональной решетки атомного масштаба, в которой один атом образует каждую вершину. Это основной структурный элемент других аллотропов, включая графит, древесный уголь, углеродные нанотрубки и фуллерены. Его также можно рассматривать как бесконечно большую ароматическую молекулу, предельный случай семейства плоских полициклических ароматических углеводородов.

Ранняя история

Создание графена, чудесного материала, который обещает изменить будущее, уже стало предметом научных легенд.Как образец блестящей интуиции он стоит рядом со случайным открытием пенициллина Александром Флемингом — и он может оказаться не менее ценным.

Два русских ученых-эмигранта из Манчестерского университета, Андрей Гейм и Костя Новоселов, игрались с хлопьями угольного графита, пытаясь исследовать его электрические свойства, когда они решили посмотреть, можно ли сделать более тонкие хлопья с помощью липкий скотч.

Они использовали ленту, чтобы отделить слой графита от его блока, а затем неоднократно снимали дополнительные слои с исходной сколотой чешуйки, пока им не удалось добраться до чешуек толщиной всего в несколько атомов.Вскоре они поняли, что, многократно наклеивая и отклеивая скотч, можно добраться до самого тонкого из всех возможных слоев, толщиной в один атом — материала с уникальными и чрезвычайно интересными свойствами.

Когда два ученых выиграли совместную Нобелевскую премию по физике в 2010 году за свои новаторские эксперименты, Нобелевский комитет особо отметил «игривость», которая была одним из отличительных признаков их совместной работы.

Игра со скотчем в пятницу днем ​​- шутка, но вскоре это превратилось в смертельно серьезную игру в научные открытия, что было бы невозможно, если бы не хорошо подготовленные умы Гейма и Новоселова.

«Игровая идея идеально подходит для начала, но тогда вам понадобится действительно хорошая научная интуиция, что ваш игровой эксперимент к чему-то приведет или останется шуткой навсегда», — говорит Новоселов. «Шутить неделю или две — это правильный путь, но не стоит превращать все свое исследование в шутку».

Гейм, который на 15 лет старше Новоселова и когда-то был его научным руководителем, имеет репутацию любителя игривых экспериментов. Он поднял лягушку в воздух в 1997 году, чтобы продемонстрировать свои работы в области магнетизма, и изобрел новый вид липкой ленты на основе липких лапок ящериц Геккон, которые могут подниматься по стенам и висеть вверх ногами на потолке.

Первоначальная идея работы с графитом заключалась в том, чтобы увидеть, можно ли его использовать в качестве транзистора — основного переключающего устройства в основе вычислений. На самом деле, говорит Новоселов, они почти отказались от графита, когда услышали о том, как исследователи-микроскописты, работающие в коридоре университета, использовали скотч, чтобы очистить минерал перед тем, как положить его под линзу.

«Это не новая техника, и я слышал о ней раньше, но когда вы видите ее перед собой, становится ясно, для чего ее можно использовать», — вспоминает Новоселов.

Графен, двумерный кристалл чистого углерода, является превосходным материалом. Это самое тонкое и прочное вещество, известное науке — примерно в 100 раз прочнее стали по весу. Квадратный метр графена, в тысячу раз тоньше бумаги, превращенный в гамак, будет достаточно прочным, чтобы уместить четырехкилограммовую кошку, но весит не больше одного ее усов. Он хорошо проводит электричество, растягивается и при этом почти прозрачен. Он проводит тепло лучше, чем любое другое известное вещество.Он действует как барьер для мельчайшего атома газа — гелия — и все же пропускает водяной пар.

Это свойство позволило двум русским провести еще один игривый эксперимент, на этот раз с пассивной дистилляцией водки — вода испаряется через графеновую мембрану, помещенную на кружку разбавленной водки, оставляя концентрированный спирт.

Изобретательский уровень, сделавший Гейма и Новоселова лауреатами Нобелевской премии, заключался в том, чтобы найти способ переноса ультратонких чешуек графена с скотча на кремниевую пластину, материал микропроцессоров.Как только они это сделали, можно было наблюдать и исследовать необычные электрические свойства графена, включая его «призрачное» квантовое состояние, когда электроны начинают вести себя странно, как будто эти частицы не имеют массы. «Ажиотаж существовал бы даже без этих необычных свойств, потому что графен — это первый двумерный материал. Сейчас это кажется очевидным, потому что мы можем подвешивать его в воздухе и делать с ним практически все, но вначале не было очевидно, что он будет стабильным », — говорит Новоселов.

Использование

Возможности использования графена кажутся почти безграничными. Они варьируются от новых типов гибкой электроники, которую можно носить на одежде или складывать в карман, до нового поколения очень маленьких компьютеров, сверхэффективных солнечных панелей и сверхбыстрых мобильных телефонов. Однако в основе графена лежит сотовая структура из атомов углерода, которую называют «атомной проволокой». Углерод является основным элементом жизни, а это означает, что графен может оказаться в центре новой промышленной революции, основанной на биоразлагаемых и устойчивых электронных компонентах.Если и был когда-либо строительный материал для новой, зеленой экономики, то графен мог бы стать им. В результате правительство активно поддержало новый Национальный институт графена (NGI) в Манчестере, строительство которого будет завершено к 2015 году за 61 млн фунтов стерлингов, из которых 38 млн фунтов стерлингов поступают от правительственных исследовательских советов.

11 способов, которыми графен мог изменить мир

Графен может быть одним из самых полезных материалов в мире. Хотя его толщина составляет всего один атом углерода, он во много раз прочнее стали и при этом очень гибкий.

С тех пор, как он был впервые выделен исследователями в 2004 году, список патентов, связанных с графеном, рос в геометрической прогрессии с каждым годом. Возможно, совсем скоро этот сверхматериал породит технологическую революцию, которая действительно может изменить мир.

Вот несколько важных изобретений графена, которых стоит ожидать в ближайшем будущем.

1. Топливо воздушное

Те же исследователи, которые получили Нобелевскую премию за выделение графена, Андре Гейм из Манчестерского университета и его коллеги показали, что графен можно использовать для создания мобильных электрических генераторов, работающих на водороде, извлекаемом из воздуха.Команда Гейма обнаружила, что, хотя графен непроницаем даже для мельчайших атомов, его можно использовать для фильтрации атомов водорода, лишенных их электронов.

Это означает, что графеновые пленки можно использовать для значительного повышения эффективности протонпроводящих мембран, которые являются важными компонентами технологии топливных элементов. Гейм представляет себе будущее, в котором автомобили могли бы приводиться в движение только крошечным количеством водорода в окружающем воздухе. «По сути, вы качаете топливо из атмосферы и получаете электричество из нее», — сказал Гейм.

2. Защита от комаров

Фото: Мухаммад Махди Карим [GFDL 1.2] / Wiki Commons

Та же непроницаемость, которая присутствует в топливных элементах, открывает новые возможности для использования графена, в том числе для защиты от комаров. В этом приложении исследователи обнаружили два пути блокирования этих смертоносных насекомых.

Исследователи из Университета Брауна обнаружили, что слои графена могут блокировать способность комаров ощущать химические вещества, связанные с кожей или потом, открывая потенциал необычного, нехимического подхода к борьбе с ними.Вдобавок ко всему, слои создают физический барьер, через который комары просто не могут укусить. Их работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, первоначально была сосредоточена на механическом решении, но быстро раскрыла другую секретную способность графена.

«С графеном комары даже не приземлились на участок кожи — им просто было все равно», — сказала доктор Синтия Кастильо. студент Брауна и ведущий автор исследования, говорится в пресс-релизе Университета Брауна.«Мы предполагали, что графен будет физическим барьером для укусов из-за сопротивления проколам, но когда мы увидели эти эксперименты, мы начали думать, что это также был химический барьер, который мешает комарам почувствовать присутствие кого-то».

Следующим шагом будет работа над созданием версии графенового барьера, который работает так же эффективно как во влажном состоянии, так и в сухом, поскольку комары могли протыкать свой пучок или устройство для кормления через ткань, когда она была влажной.

3. Больше доступной питьевой воды

Графен может помочь решить мировой водный кризис. Мембраны из графена могут быть достаточно большими, чтобы пропускать воду, но достаточно маленькими, чтобы отфильтровать соль. Другими словами, графен может произвести революцию в технологии опреснения воды. Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, «что водопроницаемость этого материала на несколько порядков выше, чем у обычных мембран обратного осмоса, и что нанопористый графен может играть важную роль в очистке воды.»

Фактически, тип графена оказался настолько эффективным при фильтрации воды, что сделал образцы воды из Сиднейской гавани безопасными для питья после однократного прохождения через фильтр. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи из Австралийской организации научных и промышленных исследований (CSIRO) использовали форму графена под названием «Graphair», чтобы сделать морскую воду пригодной для питья после однократной обработки.

«Эта технология может создать чистую питьевую воду, независимо от того, насколько она грязная, за один шаг», — сказал в своем заявлении ученый CSIRO Дон Хан Со.«Все, что нужно, — это тепло, наш графен, мембранный фильтр и небольшой водяной насос. Мы надеемся начать полевые испытания в сообществе развивающихся стран в следующем году».

Дополнительное исследование, опубликованное в журнале Materials Science & Engineering C в 2019 году, продвинуло эту концепцию на шаг вперед, сделав необходимость хлорирования устаревшей. Ученые из Российского национального университета науки и технологий (МИСиС) и другие показали, что при введении оксида графена в раствор, содержащий кишечную палочку, графен «захватывает» бактерии, образуя хлопья, согласно Eureka Alert.После того, как хлопья были извлечены из раствора, вода стала питьевой, а графен можно было даже использовать повторно.

4. Электроника

Гексагональная решетка графена из атомов углерода. AlexanderAlUS [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons

Забудьте о Кремниевой долине; будущее может покоиться в долине графена. Сегодня наши электронные устройства полагаются на кремний как на ключевой компонент, но транзисторы, сделанные из кремния, приближаются к минимальному размеру, при котором они могут быть эффективными, а это означает, что скорость наших устройств скоро упадет.И все же ультратонкая природа графена может быть ответом на эту проблему. Возможно, совсем скоро графен заменит кремний в наших электронных устройствах, сделав их быстрее, чем когда-либо прежде.

Графен также позволит создавать сверхтонкие гибкие сенсорные экраны, которые практически невозможно сломать. Вам больше не придется беспокоиться о том, чтобы ваш смартфон разбился.

В 2018 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Гарвардского университета показали, что графен может обладать еще более удивительными электронными свойствами.Его можно настроить на два электрических крайних значения: как изолятор или сверхпроводник. Другими словами, один и тот же материал может либо блокировать поток электронов, либо проводить электрический поток без сопротивления.

«Теперь мы можем использовать графен в качестве новой платформы для исследования нетрадиционной сверхпроводимости», — говорит Пабло Харилло-Эрреро, доцент физики Массачусетского технологического института. «Можно также представить себе создание сверхпроводящего транзистора из графена, который можно включать и выключать, от сверхпроводящего до изоляционного.Это открывает много возможностей для квантовых устройств ».

5. Зрение хищника

Графен показал себя многообещающим для тепловых инфракрасных фотоприемников. Иван Смук / Shutterstock

В классическом научно-фантастическом боевике «Хищник» рассказывается об инопланетном убийце, который может видеть мир в тепловом инфракрасном свете. Теперь, благодаря графену, у вас может появиться зрение «Хищник». Исследователи из Мичиганского университета разработали графеновую контактную линзу, которая позволяет пользователю воспринимать весь инфракрасный спектр, а также видимый и ультрафиолетовый свет.

«Если мы объединим его с контактными линзами или другой носимой электроникой, это расширит ваше зрение», — сказал Чжаохуэй Чжун, один из исследователей, разрабатывающих технологию. «Это дает вам еще один способ взаимодействия с окружающей средой».

6. Презерватив получше

Графен может даже улучшить вашу сексуальную жизнь. Презервативы из графена могут быть супертонкими, что означает больше ощущений. Они также будут суперпрочными, а это значит, что они с меньшей вероятностью порвутся — истинное испытание любого презерватива.

«Если этот проект будет успешным, у нас может быть использование графена, которое самым интимным образом коснется нашей повседневной жизни», — сказал в 2013 году Аравинд Виджаярагхаван, ученый-материаловед, ведущий исследования графеновых презервативов.

Поиск графенового презерватива шел медленнее, чем ожидали некоторые защитники, но он все еще продолжается. Фонд Билла и Мелинды Гейтс произвел фурор в 2013 году, когда он профинансировал исследования графеновых презервативов, и, хотя эти усилия немного пошатнулись, они оказались достаточно многообещающими, чтобы заработать дополнительное финансирование.Тем временем, по крайней мере, одна компания подхватила популярность с «презервативом на основе графена», который на самом деле не использует графен, а заимствует его гексагональную структуру.

7. Мир без ржавчины

Удалите ржавчину с помощью нарезанного картофеля. (Фото: Herain Kanthatham / Shutterstock)

Поскольку графен практически непроницаем, слой краски на основе графена однажды можно будет использовать для устранения коррозии и ржавчины. Исследователи даже показали, что стеклянную посуду или медные пластины, покрытые графеновой краской, можно использовать в качестве контейнеров для сильно коррозионных кислот.

«Графеновая краска имеет хорошие шансы стать поистине революционным продуктом для отраслей, которые имеют дело с любым видом защиты от воздуха, погодных условий или агрессивных химикатов», — сказал Рахул Наир, один из исследователей, разрабатывающих технологию. например, медицина, электроника и атомная промышленность или даже судостроение, и это лишь некоторые из них ».

8. Светящиеся обои

Светящиеся стены вскоре могут заменить лампочки благодаря разработке новой технологии электродов на основе графена, которая делает дисплеи тоньше, чем когда-либо прежде.Такие светящиеся «обои» обеспечивают более приятный регулируемый свет в комнате, чем лампочки, и их также можно сделать более энергоэффективными. И, давайте посмотрим правде в глаза, немногие вещи кажутся более футуристическими, чем освещенные стены, похожие на «Трон».

«Благодаря использованию графена вместо обычных металлических электродов компоненты будущего будут намного проще утилизировать и, следовательно, будут экологически привлекательны», — сказал Натаниэль Робинсон из Университета Линчёпинга, где разрабатывается технология.

9.Бионические люди

Если вы уже чувствуете себя чрезмерно интегрированным со своей технологией, вы еще ничего не видели. Исследования графена теперь приводят к экспериментам, в которых электроника может интегрироваться с вашими биологическими системами. По сути, вскоре можно будет имплантировать графеновые гаджеты, которые смогут считывать информацию о вашей нервной системе или разговаривать с вашими клетками.

Это может привести к прорыву в медицинской науке, помочь врачам контролировать ваше тело или даже настроить ваши биологические системы для оптимального здоровья.Эта технология также может помочь фанатикам фитнеса отслеживать и контролировать свои режимы тренировок.

10. Более качественные и безопасные краски для волос

На этой фотографии показаны светлые волосы до (слева) и после (справа) окрашивания пигментом на основе графена, структурная модель которого также изображена справа. Чонг Луо / Cell Press

Возможно, это не так сильно изменит мир, как некоторые другие приложения, но графен также показал себя многообещающим в качестве более безопасной альтернативы токсичным краскам для волос. В исследовании 2018 года исследователи из Северо-Западного университета сообщают, что графен не только может соответствовать характеристикам стойких красок для волос, но и может делать это без каких-либо органических растворителей или токсичных молекулярных ингредиентов.Вдобавок ко всему, он обладает улучшенными антибактериальными, антистатическими и теплоотводящими свойствами для волос.

Исследователи нанесли гель с оксидом графена на светлые человеческие волосы и дали им высохнуть в течение 10 минут. Пряди волос были покрыты графеновой пленкой толщиной всего 2 микрона, которая, как сообщается, оставалась на месте даже после 30 стирок. По словам авторов исследования, антистатические свойства могут иметь дополнительные эстетические преимущества, а покрытие не должно причинить вреда вашим волосам или здоровью.

«Эта идея возникла из любопытства. Это было очень весело, но когда мы начали работать над ней, она казалась не слишком большой и благородной», — говорит старший автор Цзясин Хуанг, ученый-материаловед из Северо-Западного региона. утверждение. «Но после того, как мы глубоко погрузились в изучение красок для волос, мы поняли, что, вау, это на самом деле совсем не маленькая проблема. И это та, которую графен действительно мог бы помочь решить».

11. Пуленепробиваемая броня

Учитывая, насколько тонкий и прочный графен, кажется неизбежным, что его также следует использовать для создания улучшенных бронежилетов.Конечно, исследователи обнаружили, что листы графена поглощают вдвое больше ударов, чем кевлар, материал, обычно используемый в пуленепробиваемых жилетах. Графен, также являющийся улучшением по сравнению с кевларом, является сверхлегким и, следовательно, менее ограничивающим при ношении. Этот прорыв может помочь обезопасить наших солдат и сотрудников правоохранительных органов во время обстрела. Тонкая природа графена может даже привести к развитию других пуленепробиваемых поверхностей, таких как окна.

Этот ученый изобрел простой способ массового производства графена

Дэвид Бойд из

Калифорнийского технологического института сделал то, что ученые пытались сделать в течение многих лет: он говорит, что нашел дешевый и простой способ сделать графен и сделать из него много.Кикер? Он использует технологии 1960-х годов.

Готовим графен

Графен был удивительным материалом, о котором впервые было высказано предположение в 1947 году и которое не было доказано в реальном мире до тех пор, пока в 2003 году ученые не сделали это самым странным способом: протерев карандашом скотч. Сделанный из листов углерода толщиной всего в один атом, этот материал прочный, прочный и электропроводный. Это идеальный материал не только для сверхпроводников, но и для всех видов легких и высокопрочных футуристических материалов.2 / (В с), но в течение девяти часов постоянно горит при высоких температурах. Это не очень эффективно.

Лучше

Boyd et. al.

Бойд, исследователь из отдела физики, математики и астрономии Калифорнийского технологического института, говорит, что его метод может гореть при вдвое меньшей температуре и производить графен в два раза лучше, чем второй метод. Да, и сделай все это за пять минут. Исследование изложено в Nature Communications .

His way использует лишь небольшое количество газообразного метана, который при взаимодействии с медью расщепляется на водород и углерод (процесс, который Бойд сглаживает, добавляя соединение азота. В то же время азот, добавленный в смесь, также реагирует с медь и сглаживает ее поверхность, что облегчает образование там высококачественного графена. Тепло обеспечивается за счет плазменного горения при температуре около 420 градусов по Цельсию. В конце процесса остается лист графена, оставшийся от реакции с медью.2 / (В с) и занимает лишь часть времени.

Другими словами: если это подтвердится, это кардинально изменит правила игры для графена.

«У вас одноэтапная химия», — говорит Бойд Popular Mechanics. «Вы удаляете оксид, сглаживаете медь и выращиваете графен». Самое приятное, по словам Бойд, заключается в том, что, поскольку технология существует уже более полувека, масштабирование производства графена не займет много времени. Действительно, следующий шаг — попытаться улучшить пакетную обработку с помощью метода Бойда, что может означать массовое производство графена, из которого можно построить будущее.«Вы могли бы делать это непрерывно, при этом вы могли бы вытекать мили графена», — говорит Бойд.

Джон Венц Писатель Джон Венц — автор популярной механики и фанат космоса из Филадельфии.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io

Графен — новый чудо-материал | Физика

Молекула бесценна, но дело не в стоимости — несколько сотен долларов за килограмм. Ценность заключается в его потенциале. Рассматриваемая молекула называется графен, и ЕС готов выделить на нее 1 млрд евро (1,3 млрд долларов) в период с 2013 по 2023 год, чтобы выяснить, сможет ли она изменить ряд секторов, таких как электроника, энергетика, здравоохранение и строительство. По данным библиографической базы данных Scopus, с 2005 года о графене написано более 8000 статей.

Как видно из названия, графен извлекается из графита, материала, используемого в карандашах. Как и графит, графен полностью состоит из атомов углерода, а 1 мм графита содержит около 3 миллионов слоев графена. В то время как графит представляет собой трехмерную кристаллическую структуру, графен представляет собой двумерный кристалл толщиной всего в один атом. Углерод идеально распределен в гексагональной сотовой структуре толщиной всего 0,3 нанометра и всего 0,1 нанометра между каждым атомом.

Эта 100% чистая углеродная простота наделяет графен некоторыми замечательными свойствами, очень близкими к расчетным теоретическим, как наблюдали авторы Дорожной карты для графена, опубликованной в журнале Nature в прошлом году.

Графен проводит электричество лучше, чем медь. Он в 200 раз прочнее стали, но в шесть раз легче. Он почти идеально прозрачен, так как поглощает только 2% света. Он непроницаем для газов, даже таких легких, как водород или гелий, и, если этого было недостаточно, на его поверхность можно добавить химические компоненты, чтобы изменить его свойства.

«Графен — это платформа, похожая на шахматную доску, на которую можно поставить пешки, которые вам нужны. Тонкость заключается в нахождении правильных позиций.«В его простоте есть настоящая красота», — объяснил Винсент Бушиа из Института Нееля в Гренобле, входящего в Национальный центр научных исследований (CNRS). «Будущее за карандашным графитом!» — сказала Анник Луазо из Национального офиса. для аэрокосмических исследований и исследований (ONERA), придумав слоган. Она является французским представителем в исполнительном офисе Graphene Flagship, исследовательского консорциума, финансируемого ЕС в течение следующих 10 лет.

Проект был официально запущен в прошлом месяце.«Мы уже многому научились, но в определенных ситуациях могут появиться новые результаты — только мы еще не знаем, какие из них», — сказал Марк Гербиг, другой исследователь CNRS, работающий на кафедре физики твердого тела в Университете Париж-Сюд Орсе.

Этот чудо-материал прошел долгий путь. Теоретически такая двумерная структура считалась нестабильной и поэтому лучше скручивалась, как это наблюдалось в 1990-х годах с углеродными нанотрубками.

В 2004 году два российских ученых, Андре Гейм и Константин Новоселов, вместе с другими, опубликовали первые электронные измерения, доказывающие, что они изолировали графен.Они удалили углеродные чешуйки с графита с помощью кусочков липкой ленты — что в конечном итоге привело к получению Нобелевской премии по физике в 2010 году.

«Теория действительно верна только для двух измерений, но на самом деле кристалл растет в трех измерениях. -мерное пространство и небольшие поверхностные колебания, такие как волны, стабилизируют кристалл », — сказал Гербиг. Эксперименты быстро подтвердили изумительное поведение этого нового материала, которое можно объяснить своего рода морем электронов на поверхности, которые ничто не может остановить и которые не взаимодействуют друг с другом.Как будто электроны не имеют массы и движутся со скоростью в 300 раз медленнее скорости света. Математическое уравнение для их описания ближе к уравнению для частиц высоких энергий, чем для твердого вещества, отсюда и эти выдающиеся характеристики, которые предполагают множество потенциальных применений.

Будучи прозрачным, а также хорошим проводником, графен может заменить индиевые электроды, используемые в сенсорных экранах. Поскольку графен легкий, его можно интегрировать в композитные материалы, чтобы исключить воздействие молнии на фюзеляжи самолетов.Он также водонепроницаем и идеально подходит для использования в резервуарах с водородом.

Поскольку ничто не может остановить электроны, графен нельзя «выключить», поэтому теоретически он малопригоден в транзисторах, которые являются ключевыми компонентами современных электронных товаров. Однако ведутся исследования способов создания искусственной запрещенной зоны, которая позволила бы отключить ее и, следовательно, использовать для этой цели.

Европейский консорциум решил сосредоточиться на ряде приложений.«Наша цель — поддержать инновации в Европе, а также создать сеть специалистов, контактирующих с компаниями для долгосрочных проектов НИОКР», — сказал Стефан Рош, ответственный за одно из подразделений проекта, и исследователь Каталонского института медицины. Нанонаука и нанотехнологии в Барселоне.

На цветок кладут кусок графенового аэрогеля весом всего 0,16 миллиграмма на кубический сантиметр. Фотография: Long Wei / EPA

Основные шаги в этом процессе уже начались. Несколько начинающих компаний уже производят графен, в основном для лабораторий, с использованием различных технологий.На смену «исторической» липкой ленте пришла химическая эксфолиация. Альтернативой является использование углеродной и кремниевой подложки, которая нагревается для удаления атомов кремния, оставляя на поверхности слой графена. Еще один метод — нанести углерод на поверхность меди, которая после нагревания катализирует реакцию образования графена. Команда из Университета Райса в США даже использовала ногу таракана в качестве источника углерода.

В Европе лидерами являются Applied Graphene Materials (AGM) в Великобритании, а также Avanzare и Graphenea в Испании.«Если мы хотим, чтобы графен стал эквивалентом кремния в современной микроэлектронике, важно контролировать материал и его качество», — сказал Этьен Кенель из Французской комиссии по альтернативной энергии и атомной энергии, отвечающий за энергетический аспект Graphene Flagship. который также работает со специалистами-производителями.

Гиганты отрасли тоже в бегах. IBM изготовила несколько прототипов электронных компонентов, а Samsung — плоский экран (70 см по диагонали) с графеновыми электродами.Производитель теннисных ракеток Head использовал чемпионов по теннису Новака Джоковича и Марию Шарапову для продвижения ракеток, сделанных из графена. BASF и Daimler-Benz разработали концептуальный электромобиль под названием Smart Forvision, который включает графен в проводящий электронный текстиль. В 2012 году BASF подготовила отчет о будущем графена, в котором прогнозируется, что рынок будет стоить 1,5 млрд долларов в 2015 году и 7,5 млрд долларов в 2025 году.

Само собой разумеется, что Китай также участвует в гонке: в Европе было опубликовано 2600 статей. Имея более 2200 патентов, она превзошла Европу и США.

Прошлым летом один из стартапов, Bluestone Global Tech, объявил о партнерстве с производителем мобильных телефонов для первых сенсорных экранов на основе графена, которые появятся на китайском рынке в ближайшие месяцы. Тем не менее, массовое применение еще не готово.

«Людям продают графен, который на самом деле является графитом, только дороже», — сказал Марк Монтиу из исследовательского центра CEMES в Тулузе на конференции по композитным материалам на основе графена, состоявшейся в Париже в начале этого года.Строго говоря, графен однослойный, но производственные процессы могут создавать стопки из нескольких слоев. Когда создается более 10 слоев, свойства сильно меняются и напоминают графит больше, чем графен. «На сегодняшний день графен не абсолютно превосходит углеродные нанотрубки», — сказал Монтиу. По словам Луазо, «в композитах необходимо, чтобы молекулы углерода, графена или нанотрубок« соприкасались »друг с другом, чтобы быть проводящими. Для удлиненных нанотрубок это легче, чем для графена в форме чешуек, что объясняет разницу.«На разработку композитного материала уходит много времени, и нанотрубки имеют то преимущество, что они являются более зрелым материалом. Исследователи нанотрубок не были рады видеть прибытие графена, которое привлекло как внимание, так и финансирование.

Тем не менее, накопленный опыт нанотрубок очень полезен для ускорить работу над графеном. «На создание первых транзисторов с нанотрубками ушло шесть лет, — сказал Луазо. — С графеном мы провели первые электрические измерения за год».

Что касается его использования в медицине, знания из одного материала служит для другого.Важнейший аспект европейского проекта посвящен тому, как защитить людей, работающих с графеном, а также конечных пользователей, в дополнение к исследованию возможных медицинских приложений. «В настоящее время у нас есть исследования, показывающие отсутствие эффекта, в то время как другие указывают на потенциальный риск», — сказал Альберто Бьянко, руководитель исследований CNRS в Институте молекулярной и клеточной биологии в Страсбурге, который является соруководителем европейского проекта по аспектам здоровья и окружающей среды.

Фактически, как и в случае с углеродными нанотрубками, необходимо учитывать значительное разнообразие типов графена.Размер, конечно, имеет значение, но также имеет значение химическое состояние. Молекула может быть окислена в большей или меньшей степени или содержать различные количества остаточных примесей в результате того, как синтезируется графен, или как строятся его слои. Однозначного ответа нет. В статье, опубликованной в апреле в Angewandte Chemie, научном журнале Немецкого химического общества, Бьянко процитировал несколько противоречивых исследований, некоторые из которых обнаружили токсическое воздействие на микроорганизмы, а другие — нет.Также не было пролито света на то, как графен может вызывать повреждение клеток. Прорезает ли графен стенку ячейки перпендикулярно или покрывает ячейку?

«Одно оптимистичное замечание состоит в том, что химия может позволить нам модулировать биологическую активность этого наноматериала», — сказал Бьянко. Например, связывая различные химические группы, можно сделать графен более или менее растворимым или направить его к определенной терапевтической цели. Поэтому требуется дополнительная работа. Консорциум изучит воздействие на различные типы клеток (раковые, нейрональные, связанные с иммунной системой и т. Д.), А также на земноводных.

Еще одно преимущество графена состоит в том, что он открывает пути к другим двумерным материалам размером с атомы. Нитрид бора, сульфат молибдена и вольфрам или даже 100% кремний-силлицен — вот некоторые из странно звучащих названий, которые могут стать более распространенными. Одни изолируют, другие проводят. Накопление этих молекул слой за слоем приведет к созданию новых материалов с новыми свойствами. Игра началась.

Эта статья появилась в Guardian Weekly , который включает материалы из Le Monde

В эту статью 26 ноября 2013 года были внесены поправки, исправляющие название и детали компании Bluestone Global Tech

The Graphene Revolution! Давайте вместе откроем для себя этот необычный материал — Леонардо

(Copyright Graphene Flagship)

Он тонкий, легкий, гибкий и прозрачный, но в то же время прочный, стойкий, непроницаемый и с высокими тепло- и электропроводными свойствами.Это лишь некоторые из характеристик графена , удивительного материала с исключительными свойствами, который теперь считается отправной точкой для новых прорывных технологий в широком диапазоне областей, от электроники до композитных материалов и энергетики. Графен был выделен в 2004 году профессором сэром Андре Геймом и профессором сэром Константином Новоселовым , исследователями из Манчестерского университета. Новаторские эксперименты Гейма и Новоселова были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

В 2013 году Европейская комиссия запустила программу Graphene Flagship , одну из крупнейших в истории европейских исследовательских программ. Проект направлен на то, чтобы в течение 10 лет перенести графен из области академических лабораторий в европейское общество, создавая тем самым экономический рост, новые рабочие места и новые возможности. Бюджет программы составляет 1 миллиард евро, и в ней участвуют более 150 академических и промышленных партнеров, в том числе Леонардо .

ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ГРАФЕНЕ: СЛОВО С Лауреатом Нобелевской премии

Изучение графена началось в 1859 году, но только с 2004 начались ускоренные исследования этого материала.В том же году исследователи Андре Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета выделили единственный слой графена из графита, одной из самых распространенных форм углерода. Графен имеет толщину всего в один атом углерода и обладает необычными свойствами, связанными с квантовой физикой . Два исследователя, лауреаты Нобелевской премии по физике в 2010 году за свои инновационные эксперименты с графеном, получили этот материал из куска графита — сердца каждого — разделяющего его слои с помощью клейкого материала, очень похожего на скотч.

Профессор Константин Новоселов

Мы задаем несколько вопросов лауреату Нобелевской премии профессору Константину Новоселову , почетному гостю на мероприятии «Графен: революция идет на Землю … и космос», организованном 17 октября в Национальном музее науки и технологий «Леонардо». Да Винчи »в Милане от флагмана« Графен »и« Леонардо ».

Как вы заинтересовались графеном и как вы обнаружили его необычные свойства?

Это был стиль работы, названный «эксперименты в пятницу вечером», который ввел в нашей лаборатории Андре Гейм.В соответствии с ним нам будет рекомендовано потратить некоторое время на изучение рискованных проектов. Проект Graphene был одним из таких. Мы никогда не верили, что получим графен, но цель состояла в том, чтобы получить достаточно тонкие графитовые пленки для изготовления транзистора. Мы были очень удивлены, когда дошли до одного слоя. Затем потребовались годы, чтобы раскрыть все необыкновенные свойства этого материала.

Какие будущие приложения вы видите для графена? И чем бы вы больше всего гордились?
Уже сейчас графен очень успешно используется в ряде приложений, от композитных материалов до печатной электроники и энергетики.Я надеюсь, что мы изобретем такие приложения, которые были невозможны до появления графена, те, в которых будет использована вся комбинация уникальных свойств графена.

Как физик-новатор и лауреат Нобелевской премии, каким советом вы можете поделиться со студентами / выпускниками STEM, которые начинают свою исследовательскую деятельность и карьеру?
Думаю, лучший совет — не слушать никаких советов. Человек должен заниматься тем, что ему действительно нравится — это единственный рецепт успеха.

ЛЕОНАРДО И ГРАФЕН: ИНТЕРВЬЮ С МАРКО МОЛИНОЙ

Исследования графена в Леонардо продвигаются быстрыми темпами. Этот материал используется во всех подразделениях и технологических областях, где его применение возможно, например, в электронике , датчиках и термомеханике .

В области аэроструктур , например, графен используется для изучения противообледенительных систем крыльев самолетов и усиления авиационных конструкций от ударов.С другой стороны, в области бортовых и космических систем графен считается полезным материалом как для охлаждения бортовой электроники, так и для создания сенсорных и гибких экранов.

Марко Молина

В будущем мы увидим более совершенные оптические и радарные датчики , чем те, которые доступны в настоящее время, сверхлегкие и малопотребляющие электронные компоненты , солнечные элементы и батареи , которые позволят нашему полностью электрическому самолету летать еще дольше. .

Чтобы выяснить, что представляет собой графен для такой компании, как Леонардо, мы задали несколько вопросов Марко Молине, техническому директору и руководителю отдела возможностей, LoB Space, Airborne and Space System Division, Leonardo .

В двух проектах-победителях последнего конкурса Leonardo Innovation Award предлагалось использование графена. Какого рода исследование проводит компания по этому материалу?
Исследования графена в Леонардо — это конкретный пример «открытых инноваций», когда благодаря сети сотрудничества и соглашений мы имеем доступ к самым передовым лабораториям Италии и Европы и, следовательно, к самым инновационным открытиям.В тесном сотрудничестве с нашими техническими коллегами, инженерами, химиками и физиками, которые напрямую сотрудничают с лабораториями, где происходит химический синтез графена (например, в Италии, Национальный исследовательский совет и Итальянский технологический институт), мы разрабатываем прототипы для продемонстрировать преимущества использования графена.

Некоторые из этих проектов являются частью Graphene Flagship, крупнейшей исследовательской программы, финансируемой Европейской Комиссией, партнером которой мы являемся.Благодаря нашему участию в 2017 году мы смогли провести эксперименты с графеном в условиях микрогравитации вместе с Национальным исследовательским советом Италии (CNR), Université Libre de Bruxelles и Центром графена в Кембриджском университете, чего раньше никогда не делали. . Мы разрабатываем систему охлаждения для спутников, называемую «петлевой тепловой трубой», которая основана на графене и скоро полетит в космос: мечта — иметь полностью автономные системы охлаждения для будущего исследования и колонизации космоса.

Какие преимущества может извлечь Леонардо из будущих графеновых приложений?
Технические директора и инженеры ожидают больших преимуществ от производительности наших продуктов, которые будут легче, компактнее и потребляют меньше энергии. Сначала инновации будут постепенными: графен будет добавляться в наши аэрокосмические конструкции в очень небольших количествах, чтобы сделать их более ударопрочными, чтобы мы могли лучше охлаждать наши бортовые системы и обеспечивать более четкие изображения, которые мы получаем из космоса.Следовательно, у нас будут лучшие продукты того же веса или легче с такими же характеристиками, и мы хорошо знаем ценность каждого грамма, сэкономленного на борту самолета, вертолета или спутника.

Вторая линия инноваций будет более революционной и будет связана с концепцией многофункциональности: графеновые чернила можно использовать для печати электронных схем на жестких или гибких структурах, даже на листе бумаги или ткани, которые, следовательно, могут быть датчик с одной стороны и сенсорный экран, который отображает изображение, распознанное датчиком, с другой.Аэрокосмические конструкции станут интеллектуальными, способными определять собственную температуру и оценивать свое состояние механического напряжения и даже износа, что даст явное конкурентное преимущество в профилактическом обслуживании.

Как и в случае с углеродным волокном, первые применения графена были в спорте. Сегодня композитный материал (углеродное волокно) вносит значительный вклад в качество и ценность продуктов Леонардо. Будет ли графен развиваться таким же образом?
Получение сертификата для использования в аэрокосмической отрасли — длительный процесс, который объясняет, почему композитные конструкции сначала стали использоваться в спорте, а затем в аэрокосмической промышленности и, следовательно, также в компании Leonardo.Композитный материал дал Леонардо конкурентное преимущество в создании широкого спектра продуктов, в производстве которых мы являемся мировыми лидерами, от крыльев до фюзеляжей и от инструментов для спутников до буровых установок для земляных работ на других планетах.